알루미늄 합금계의 주조기술의 역사

[아톰상문]

알루미늄 합금계의 주조기술의 역사

⊙1.알루미늄 합금계의 주조기술의 역사금속공업은 인류가 금속을 생산하여 이용하기

 시작한 청동기시대부터 시작되었으며, 그 후 철기시대로 넘어오면서

보다 많은 금속들이 이용되었다.
인간이 처음으로 사용한 금속은 구 리, 은, 금 등이며, 기원전 4000년에

숯불을 이용하여 구리와 주석을 함유하고 있는 광물을 녹여 구리와 청동을 만들었다.
그 후 화폐나 불상 제조를 제련 기술이 발전하게 되었으며,

19세기 접어들어 획기적인 제 련 기술들이 개발되어 발전하게 되었다.
우리 나라는 제2차 세계대전 이후 1950년대까지도 특별한 시설이 없었으나,

1960년대 구리제련소가 준공되어 새로운 제철 시대를 맞게되었다.

그 후 포항종합제철이 설립되어 그 발전속도가 본격화되었으며,

 1973년에 1기, 1976년에 2 기, 1978년에 3기, 1981년에 4기가 설비되었고,

1987년에는 광양제철소의 준공으로 세계 상 위의 공업국가로 도약을 했다.

비철 금속분야는온산비철공업단지에 연간 6만여 톤 규모 의 아연 제련소 및

구로 제련소가 각각 가동되고 있으나 국내 수요가 미흡한 실정이며,

선 진국에 비해 그 기술 수준이나 공정, 작업환경, 수요시장이 철강산업에

 비해 매우 열악한 실 정이다.

⊙2.알루미늄 합금계 주조기술의 개요알루미늄 합금은 알루미늄에

 구리(Cu), 규소(Si), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 니켈 (Ni)등을

첨가한 것으로 주조성, 내식성, 내열성이 우수하여 건축자재나 자동차,

항공기, 광 학기계, 전기기계, 화학공업 등의 부품 재료로 널리 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 합금계 주조기술은 현재 자동차의 부품인 알루미늄 휠과 실린더,

피스톤, 브레이크 부분, 트랜스미션 부분과 오토바이의 엔진, 브라켓트부분과 유압펌프부품,

 비행기 의 부품 등 폭넓은 분야에서 그 필요성과 활용성이 증가되고 있으며,

연비 절감이나 경량화, 부품의 수명연장 등의 효과도 높은 것으로 알려져 있다.

시장수요에 맞는 제품을 생산하고 공급하기 위해서는 우선적으로

생산품의 품질이 월등이 우수하고, 생산 공정이 간단하여 대량 생산이

가능하여야 할 것이다.
이에 해당기술분야의 중소기업과 벤처기업들이 요구하는 기술 분야들 중

최근 부각되고 있는 기술 분야인 반용융 주조와 부분 가압 주조, 수평연속

주조와 같은 모합금가공 분야와 모합금 성질 개선과 개량이 가능하도록

 첨가 원료와 모합금의 함유량을 조절하는 모합금 개 선 분야를 이하의

특허맵에서 다루고자 한다.
⊙3. 모합금 가공기술3.1 부분가압 주조법(squeeze-casting)부분가압

 주조법은 스퀴즈 주조법, 용탕단조법, 가압응고법이라고도 불려지는

 주조 기술로, 금형 내의 용탕에 유압 프레스를 이용하여 기계적 고압력을 직접

 가압하거나 또는 별도로 설치된 정밀한 금형 캐비티내로 용탕을 저속 충진, 압입시킨

후 50~200MPa의 고압을 가한 상태에서 성형 응고시키는 제조법이다.

액상금속이 체적변화를 하는 응고과정에 고압력을 가하여 주조결함의 발생을

제어하고 내 성 및 강도를 향상된 고품질의 주조제품을 얻는 방법이며 최고 수준의

주조품질을 얻을 수 있는 방법이기도 하다.
기존의 일반 다이캐스팅법과 근본적으로 다른 점은 다이캐스팅법에 비해

약 30~50배 정도 의 가압력으로 제품부가 응고 완료될 때까지 초저속

가압충전(0.2m/s)으로 가스의 흡입을 없애고, 수직형 슬리브 주탕 방식을

 채용하여 용탕의 보온성을 유지시켜 줌으로써 응고편의 발생, 흡입을 제어할

 수 있어 주조 결함의 대폭 개선이 가능하다는 점이다.?

다이캐스팅법도 용탕 주입시에는 고압이 가하여지지만, 응고 도중에는

충분히 가압되지 않는다.
적용분야로 는 Gas나 기름을 충진하여 사용하는 내압 부품이나 높은

 강도가 요구되는 부품, FRM사용 부품, Insert사용부품 등에 주로 적용되고

 있으며, 장. 단점은 부분 가압 주조는 가압이 보다 유효하게

작용하는 모양의 구조로 되어있다.

플런저 팁을 상승시켜, 슬리브의 용탕을 40~80mm/s와 같은 저속

(통상다이캐스팅법에서는 30~50m/s)으로 캐비티 내에 주입하고,

 주입 후 85~100MPa의 가압을 행한다.
알루미늄 호일 등의 생산이 행해질 수 있지만, 중력 주조법과 비교해서

 연신율과 샤르피 충격력은 5배 이상으로 되며, 강도의 불균일이 적은 제품을 얻을 수 있다.
VSC(vertical shot squeeze casting),

 HVSC(horizontal die clamping vertical shot squeeze casting)등과 같은

 스퀴즈 캐스팅한 제품의 가스함유량이 2~4cc/100g.Al으로 종래

다이캐스 팅뿐 아니라
사형주조, 저압주조보다 월등히 우수함을 알 수 있다.

이 밖에 금형 온도 제어, 구조 및 금형을 고안하여 용탕 주입 속도(gate부의 속도)를

150~200mm/s, 가압력을 25MPa 정도로 한 저속, 저압 다이캐스팅법이 있다

.알루미늄 용탕의 층류 한계는 1.5~1.6m/sec로 알려져 있기

때문에 종래 20~60m/sec의 탕구 속도를 1/30이하의 저속으로 하고

금형 내의 충전시간을 종래의 0.1초 전 후에서 0.3~0.6초 로 길게 하는

조건으로 가공하는 기술도 있다.
이때 탕구 단면적을 약 4배로 넓히는 것이 적당하다고 한다.
이러한 저속충전 다이캐스팅의 대표적인 것이 아큐라드법으로서

사출 프런저는 외부 플러 저와 내부 플런저로 구성되어 있어 응고하는

단계에서 잔류하고 있는 용탕을 응고 수축부로 제 2단계로 저속,

가압하는 방식이기 때문에 금형 캐비티에 용탕이 충전되어

금형 벽에서부 터 응고가 된다.

이때 내부 플런저를 다시 전진하여 잔류하고 있는 용탕에 압력을

가하여 수축공에 용탕을 주입하게 됨으로써 수축공을 없애는 효과를

 주고 있다.저속 충전으로 만든 제품은 열처리가 가능하며, 동일한

 재료를 중력 주조한 제품보다 조직 이 미세하고 굽힘 강도, 경도 등이 우수하다.
국부 가압법은 제품형상에 의해 포로시티의 발 생이 쉬운 후육부의 품질을 개선하기

 위한 공법으로 1984년경부터 일본 다이캐스트, TOYOTA, HONDA, 일본전장,

일본경금속(주)등에서 각기 개발되어 보고되고 있다.

국부적으로 두꺼운 부위가 있는 다이캐스팅 주물에서는 통상의 방법으로는

가압경로 중간 의 얇은 부위가 먼저 응고하여 가압력이 전달되기 어려운

 두꺼운 부위에 수축결함이 나타나 므로 이 부위를 용탕 충전 완료후에

국부적으로 가압하는 방법이다.

주조 조건 등의 선택적 상황을 이용하여도 후육부는 1.5배 정도의

응고시간이 소요되므로 후육뷰의 수축공 등의 주조결함 발생은 필연적이라 할 수 있다.
이 같은 문제점의 개선책으로는 수축공 발생이 쉬운 보스부나

 후육부 등의 후가공되는 부 위에 용탕 충전 직후의

시간에 맞게 유압실린더 등에 의해 가압 플런저를 압입하여,

용탕을 가압하여 줌으로써 수축공 등의 주조결함을 제어하는 방법이다.

가압 효과를 높일 때에는 가압 압력, 시간, 속도 등이 중요하며,

적정조건 확립시 충분한 효과를 기대할 수 있지만, 제품에 혼입된

가스량의 근본적 제어는 어렵기 때문에 열처리는 불가능하다.

 이러한 방법은 자동차 에어컨 컴프레셔의 실린더 블록에 적용할 수 있다.

3.2 반용융 주조법(Semi Solid Casting)반용융 다이캐스트법은

용탕에 전단 응력(應力)을 주며, 냉각시켜 반응고 상태에서 주조하 는

 레어케스트법(Rheo-cast)과 교반 반용융 상태의 것을 냉각시켜 빌릿(billet)으로 만든 다 음

 반응고 상태까지 재가열하여 주조하는 딕소캐스트(Thixo-cast)법이 있다.

레오(Rheo)스 팅법은 반용융 상태의 금속을 교반(攪拌)하여

수지상(dendrite)조직을 파괴하여 고액 혼합 슬러리 상태로서 다이캐스팅하는 방법이다.
1970년대 처음으로 제안된 방법으로 사출 온도가 통상의 방법보다

100℃정도 낮고, 사출속 도가 느리므로 주입 중 가스의 혼입이 없으며,

주입시 이미 고상률이 60%를 넘으므로 수축 공 결함이 적은 장점을 가지고 있어

일부 자동차 부품(Fuel injection distributer, support bracket, brake master cylinder등)의

생산에 이용되고 있다.

레오캐스팅의 응용으로서 슬러리에 비금속 입자와 섬유를 첨가하여 주조하는

 콤포(compo) 캐스팅도 보고되고 있다.
단, 이 방법은 고액공존 영역(Mush Zone)이 넓은 합금에 적합하므 로 ADC1, ADC12등의

공정에 가까운 합금은 부적합하며, Al-Cu-Si계 다이캐스트용 Al합금 에서는 ADC10이 적합하다.

3.3. 연속 주조법(Continous casting)강의 연속주조는

1950년대 초반에 시작되었다.
오늘날 대부분의 국가에서는 조강 생산에 대한 연주비율은 90%이상이며,

 전세계적으로 75%를 차지하고 있다.
연속주조의 기본방향 은 최종제품의 형상에 가깝게

주조함으로써(near net shape casting:NNSC)공정단축,

 에너지 절감, 재고 감축 및 제품생산 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

연속 주조 공정은 종래의 조 괴(造塊)에서 분괴 압연 공정을 거쳐

 슬래브(Slab)나 블룸(Bloom:괴철(塊鐵))을 만드는 방법 에 비해 주조,

 형발, 균열, 분괴 압연 등의 공정을 생략하고 직접 용강을 주형에 주입하여 냉각,

응고 시켜 연속적으로 슬래브(Slab)나 블룸(Bloom), 빌릿(billet)등을 제조하는 공정이 다.

(1)주요설비
1)래들 터릿(Ladle Turret)주조 중 또는 주조 대기 중인 래들(Ladle)을

지지하는 설비로써 연연주 작업이 용이하고 설치

 공간이 적은 회전 방식이 많이 적용되고 있다.
2)턴디쉬(Tundish)턴디쉬(Tundish)는 래들(Ladle)과 몰드(Mold)간의 용강류를 안정화 후

주형으로 내보내는 중간용이며, 주요 기능은 다음과 같다.

Tundish는 개재물 부상이 용이하도록 용강의 체류기 간을 확보하고

 Metal Flow를 조정할 수 있도록 댐(Dam)을 설치하고 대형화하고 있다.

⊙3)몰드(Mold)용강을 1차적으로 냉각수 등으로 냉각시키는 주형(鑄型)을 말하며,

냉각성능이 좋도록 열 전도도가 좋은 동합금으로 되어 있다.

구리(Cu)는 주변에 침투하여 표면품질을 저해할 수 있어 니켈(Ni),

크롬(Cr)등으로 피복(Coating)한 동판을 널리 사용하고 있다.

동판과 용강은 습윤(Wetting)성질로써 서로간의 부착을 방지하기 위하여

 Mold를 상하로 움직이는 진동 (Oscillation)을 하고,

 Mold와 1차 냉각된 응고 Shell간의 부착을 막도록 윤활

기능을 하는 Non Wetting성질의 몰드 분말(Mold Powder)를 Mold내에 투입한다.

⊙4)래들 덮개(Ladle Shroud), 침지 노즐(Nozzle)대기 중의 산소는

 용강 중의 알루미늄(Al)성분과 결합하여 알루미나(Alumina)라는

주편 에 치명적인 개재물을 생성시킨다.
래들 턴디쉬(Ladle -Tundish), 턴디쉬
몰드 (Tundish-Mold)간 용강주입시에 용강의 공기와의 재산화를 방지하기 위하여

각기 내화물로 된 래들 덮개(Ladle Shroud)와 침지 노즐(Nozzle)을 사용한다.
또한 완전한 밀폐를 위하여 아르곤(Ar) Sealing을 실시한다.

⊙5)2차 냉각주형을 빠져 나온 주편은 연주기 말단까지 통과하면서 고속의 수냉분사장치에 의해 급냉 된다.
이 구역을 "2차 냉각대"라 하며, 내부 품질에 큰 영향을 미치는 구간이다.

Strand Guided의 각 지역 (Zone)별 냉각수 유량분포 및 2차 냉각 강도를 표시하는

척도로 총유량 을 나타내는 "비수량(Water-Liter Steel- Ton)"이라는 개념을 사용하고 있는데

이것은 강 종(鋼種)별로 냉각수축 및 크랙(Crack)발생 한계응력(限界應力)에 따라 달라지게 되며,

 단위 시간당 살수되는 분사량으로 정의한다.
( 단위: L/Kg Steel)강종(鋼種)별 냉각 강도는 중탄소 강(0.09~0.14% C)에서는 약냉방형을

사용하고 저탄소강 및 고탄소강에서는 강냉형을 사용한다.
Mold하부를 통과한 주편은 Strand Guide를 지나면서 냉각수에 의해 2차적인 냉각을 하는데

 최근에는 냉각수의 분포가 일정해지고

최저유량을 쉽게 확보할 수 있도록 공기(Air) 를

혼합한 Air- Mist 방식의 2차 냉각을 하고 있다.

⊙6)더미바(Dummy Bar)주조 초기 주형에 용강을 주입할 때 용강의

 누출을 막아주는 역할을 하며, 주조 초기에 는 주형내 용강을 채울 수 있도록

 몰드(Mold)바닥 역할을 하며, 초기 주편을 핀치롤 (Pinch Roll)까지 인발하는 역할을 한다.

Strand Guide통과 후에 전용 윈치(Winch)등에 의 해

주사응로 올려지는데 Head의 형태에는 주편과 분리가 용이하도록 되어 있으며

 분리를 위한 분리장치가 필요하나 최근에는 분리장치가 필요 없는 Type도 개발되어 있다.

⊙7)Stand Guide주편을 지지하는 Roll들로 부풀음 발생을 방지하며,

 응고과정의 주편이 수평의 주편으로 변 형되는 과정을 거친다.

통과 과정에서 2차적으로 물 분무(Spray Water)에 의하여 냉각이 되 며

수평상태로의 변형과정에서 일정한 곡률 반경을 가지게 된다.

냉각과 변형과정에서 응력이 발생하며 주편의 품질 결정에 결정적 원인을 제공하게 된다.
또한, 곡률 반경에 따라 설비의 높이가 결정되어 설치 투자비가 결정되게 된다.
주편이 Strand Guide를 통과하면서 크게 두 가지 변형을 거치는데

수직부의 주편을 곡선으로 만드 는 Bending변형과 Strand하부에서 곡률을 가진

 주편을 수평으로 만드는 Unbending변형을 하게 된다.

이러한 변형은 Bending Point에서 응력을 받아서 변형이 되는데 변형시

 응력을 적게 하기 위해 Multi- Bending Point를 사용함으로써 응력을

분산시켜 품질을 향상시키고 있다.
최근에는 Multi-Bending Point에서 발전한 Continous Bending Type이 보급되고 있는 추세이다.

 Strand Guide는 여러 개로 분리하여 예비품을 줄이고 정비비 감소에

유리한 Segment Type과 설비 정렬(Alignment)에 유리하여

품질확보에 유리한 Roller Apron Type 이 있으며, 각기 제철소의 생산 강종(鋼種) 등 특성에 따라 채택하고 있다.

⊙8)진동(Oscillation)장치Mold가 응고 Shell에 부착하지 않도록 Mold를

 상하운동 하는데 주편의 표면 품질과 돌 기(Break-Out)발생 등에 직접적인

영향을 미치는 중요한 메카니즘(Mechanism)이다.
상.하 운동시 윤활 작용을 하는 Mold Flux가 투입되는데 운동의 Pattern에 따라

유입량이 달라지게 되며,
고속 주조시는 많은 유입량을 확보할 수 있도록

 진동 패턴(Oscillation Pattern)이 조절된다.

주로 CAM Type등을 사용하나 최근에는 고속주조에서

 마찰력을 적게 할 수 있도록 비유동(Non-Sinusoidal)운동이 가능하고

주조 중에 스트로크(Stroke) 및 진동 수(Frequency)조절이

가능한 Inmo Type Resonance Type Mold를 채택하고 있다.

⊙9)주조 중 폭 가변 Mold다양한 Size의 제품주문에 대한 다연연주 작업이 가능하도록

주조 중 폭 변경 작업을 실시 하고 있는데 폭변경 중

주편과 Mold간 마찰력이 최소화하도록 설계되어 있다.
폭 변경 Taper가 조정되어야 하며 이를 위하여 상부와 하부가 각기 작동되도록 되어 있다.
폭변경 작업의 안전성을 고려하여 광폭협폭 작업을 주로 하고 있다.

⊙10)Roll Checker더미바(Dummy Bar)에 상시적으로 장착하여 주조 중

 Roll상태를 Check하는 Type과 비작 업 시간을 활용하여 Dummy Bar Head에 장착하여

Roll상태를 Check하는 Type이 있다.
In- Head Type은 Roll Gap, Roll Alignment, Roll Rotation, Roll Deflection,

 냉각수량을 In-Chain Type은 Roll Gap을 Check한다.

⊙11)Torch Cutting Machine연주기를 통과한 주편은 지시된

일정한 길이로 절단(산소 및 가스절단)하는 설비이다.
슬래 브(Slab)연주기는 주로 가스 토치(Gas Torch) 방식을 사용하며

이 경우에는 절단 후에 슬래 브(Slab)밑면에 절단설(切斷舌)이 발생되는

 단점이 있으며, 이를 제거하기 위한 제거장치가 설치된다. Mini-Mill의

 경우에는 Shearing방식이 널리 사용되고 있다.

⊙12)EMBRElectro Magnetic Break Ruler의 약어로써 전자장을

이용하여 Mold 내 용강의 유동을 억 제하는 설비이다.

최근에는 3세대 EMBR로써 Mold내 2단 제어를 하는데

 Mold상단의 용강 유동과 Mold중간부의 용강 토출류를 제어하며

 용강 유동에 의한 Mold Flux 유입을 방지하 고, 용강 토출류에 의한 Mold내 게재물

도달거리를 짧게 하여 게재물 혼입에 의한 주편 품 질 저하를 방지한다.

 소위, FC(Flow Control)Mold, Inmo Mold등이 소개되어 있다.

⊙13)EMSElectro-Magnetic Stirrer의 약어로 EMBR과는 반대 원리로써 용강을 강제

 유동시키는 설비 이다. 주로 블룸(Bloom)설비 등 고탄소강 제조에 많이

 적용되며 응고 과정에서 형성되어 개 재물 흡착의 원인이 되는 Dendrite Arm을 파괴하고,

 응고시 발생되는 중심편석의 발생을 감소시키는 품질향상 효과가 있다.

15)열간 턴디쉬(Tundish)재사용 설비주조 후 Tundish는 Off Line인 Tundish수리장에서

냉각, 내화물수리, 건조 및 예열의 긴 Cycle을 거치게 됨에 따라

 수리비의 증가 작업환경의 열악함 및 Tundish예비품 증가의 요 인이 되어

 원가상승의 원인이 되고 있다.

열간 Tundish설비는 이를 개선하기 위해 열간에서 수리가 가능하도록

 조정장치(Manipulator)와 경사장치(Tilting Device)로

 구성되어 있으며 부대설비로 집진기가 설치된다.
열간 상태에서 수리함으로써 Tundish수리비용이 감소하고

 예열 비용이 절감되며 신속한 수리가 가능하여 Tundish예비품의

감소를 기할 수 있는 장점 이 있다.

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